光线追踪版《我的世界》,意义不只是更炫的画面

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时代变了,大人。

前一阵,NVIDIA邀请一群玩家,在光线追踪版《我的世界》里面创作了一系列绚丽的场景。当然,也少不了展示一下“RTX开启/关闭”之后充满戏剧性的对比效果。

我在看这个演示的时候,突然想到,在过去三十几年里面,游戏行业在无法应用实时光线追踪的时候,利用各种奇技淫巧,从这种画面:

进化到了这种画面。

而光线追踪版《我的世界》,省略了中间所有的步骤,就实现了比现在最顶尖、最现代的游戏还要更好的光影效果。这当中的意义或许不光是证实“一般电脑带不动《我的世界》”的传言,甚至还有可能会改变未来游戏行业的工作流程。

 “光线追踪”诞生于1968年,简单来说,是通过模拟光的物理特性,在一个场景里面发射几百万条光线,在场景里面自由折射、反射,最后投射回屏幕的光线就会生成图像。这种做法资源消耗很高,渲染起来很慢。第一部3D动画电影《玩具总动员》使用光纤追踪渲染画面,一帧画面最高可能要耗费30个小时。通过这种方法渲染出的画面,光影关系是很真实的。

原版《玩具总动员》材质表现力不行,物体塑料感很强,但是光影关系是相对真实准确的

这样的速度放在游戏里面,可比玩家们常说的“放幻灯片”还要慢得多。所以游戏一般采用的是另一种被称为“光栅化”的渲染技术。

光栅化可以简单理解为直接把三维空间的物体拍扁了投射到二维屏幕上。但是这么做由于缺少了计算光线的步骤,场景间各个物体里面缺少一些很基本的光影效果,复杂的漫反射间接光源就不说了,甚至连最简单的镜面反射都很难实现。比如说,在现实中,你看向一栋大楼的玻璃,会映出城市的倒影。但是在光栅化渲染的游戏里面,这样的倒影是不会出现的。因为电脑实在是太蠢了,没法自己理解,一个物体为什么能反射出另一物体的倒影。

以老CS为例,玻璃不会反射出枪支和角色形象的倒影

为了克服光栅化渲染的这种局限,达到近似光线追踪的效果,过去几十年里,游戏开发者们一直依赖一种非常取巧的手段:造假。

从前面两代《极品飞车》画面的区别可以看出来,他们造假的水平,越来越高明了。比如说,现在游戏里面的镜面反射并不少见,像新《蜘蛛侠》里的大楼也能反射出都市里的其他建筑。

然而这其实是巧妙的障眼法。《蜘蛛侠》玻璃上面反射出的不是游戏中的街景,而是一种叫做“Cubemap”的倒影图。这种倒影图会预先渲染好,在游戏过程中实时叠加在玻璃、油漆这样光滑的表面上,造成倒影的错觉。倒影图一套有六张,拼起来正好是一个包围住场景的立方体。

由于Cubemap是预先渲染好的,周围环境的变化就没法在Cubemap上实时体现了。假设《蜘蛛侠》的场景里有栋大楼塌掉了,如果没有预先制作好对应的Cubemap,那么玻璃的倒影里,塌掉的大楼会依然无损地矗立在原位。如果大楼着起了大火,烈焰冲天,在玻璃的倒影里也看不出来。

另一种造假的方式,叫做屏幕空间反射(Screen-space reflection),通过截取已经渲染好的画面元素,通过反转和拉伸叠加到光滑的表面上,伪装成镜面反射的样子。

这种做法可以体现场景的实时变化,但缺点也很突出。就像上面的动图里展现的那样,没有出现在屏幕上的元素,也不会出现在反射的倒影里。如果应用不当,甚至可能还会出现“照镜子照出后脑勺”的bug。

反射算法玩脱了,动作游戏变身恐怖游戏

效果和光线追踪最相似的造假技术,是在光栅化渲染中直接调用光线追踪的计算成果。比如最近比较流行的“环境光遮蔽”(Ambient Occulusion,AO)技术,就是先用光线追踪的方式计算出场景里面哪些部分会比较暗,生成一张索引贴图,在光栅化渲染画面的时候调用,让游戏的光影效果更加立体。

尽管这些造假手段越来越高明,效果也越来越好,但是相对应的,成本也越来越高。现在的大型3D游戏,每个场景都需要大量预渲染好的光照贴图。而为了和这些不同的光照环境融合,有时游戏里的角色也需要好几套不同的贴图来适应不同的光线场景。每个光源的摆放位置也都需要经过精心设计。否则一旦发生没有预料到的变化,就会出现严重的穿帮,毁掉设计师精心营造的氛围。

而光线追踪版的《我的世界》,完全打破了这些禁锢。不需要费劲去针对每个场景创建Cubemap反射图,放上一盏灯,屋子里每面墙上就自然就会出现灯的光与影。也不需要精心设计水边建筑的位置,让倒影看起来没有那么尴尬突兀。一切都是实时光线追踪生成,直接就是最准确的光影效果,实现这些“造假手段”原本希望的最高目标。那些由普通玩家在《我的世界》里搭建的场景,不用复杂的光照优化和光源设计,也能媲美优秀场景设计师的手笔。

实际上,游戏开发者们也不喜欢造假,只是受限于硬件局限不得已而为之。约翰·卡马克在《雷神之锤》中率先开始使用光照索引贴图,可以看作是一切“3D游戏视觉造假手段”的祖师爷,生涯的一大遗憾就是没有能够是实现游戏中实时光线追踪的技术。而更关键的是,想在游戏中实现更自然的光影效果,光追的成本要比开发者之前相出的各种曲线救国手段要低得多,受益的不光是3A大作,那些中小型游戏更是可以借此实现视觉效果的显著提升。

因此,光线追踪版《我的世界》最重要的是展现了一种可能性:当设计师们可以从繁杂的图像技术限制中解放出来,专注于打造让玩家沉浸其中的虚拟世界的时候,电子游戏给人们带来的体验,会达到一个前所未有的新高度。


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